盖世汽车讯 分子是构建下一代器件所能利用的最小功能单元之一。凭借独特且可定制的性质，它们在新型计算、传感、光学和量子技术等领域展现出广阔的应用前景。然而，如何将分子大规模集成到功能器件中一直是一项挑战。传统半导体制造工艺容易损伤尺寸微小、结构脆弱的分子材料。

据外媒报道，如今，麻省理工学院（MIT）研究人员开发出一种可扩展的制造技术，能够在不损伤脆弱分子材料的情况下，将其集成到芯片上的电子器件中。

该方法拓展了标准半导体制造工艺的适用范围，使其能够兼容分子材料。研究人员首先利用传统工艺预先制造器件主体结构，随后再引入分子材料，并利用纳米尺度表面作用力对已制造好的器件进行机械重构，使器件通过自组装（self-assembly）完成最终构建，同时避免对分子造成损伤。

研究团队利用亚纳米分子层制造了1,000多个器件，验证了该技术的稳定性和可扩展性。

论文作者、MIT电子工程与计算机科学系（EECS）副教授、电子研究实验室（RLE）成员Farnaz Niroui表示：“我们的平台将传统半导体制造的可扩展性，与自组装技术的高精度和可控性结合起来。这为分子等新兴纳米材料和量子材料的大规模、高通量集成提供了一种全新的制造框架，使其能够构建出以往难以实现的器件架构和功能。”

相关研究成果发表于期刊《Nature Nanotechnology》。

图片来源：麻省理工学院

利用分子构建器件

分子是由少量原子组成的微小结构，其结构和化学性质都可以进行精确设计，因此能够在广泛的设计空间内实现性能调控。

将这些分子集成到器件架构中后，有望构建尺寸更小、速度更快、适应性更强的下一代电子器件和计算平台，同时推动高性能光子器件以及新兴量子技术的发展。

要构建一个完整的功能系统，分子功能单元必须与器件中的其他层集成。在电子器件中，其中一个关键步骤是建立分子与金属表面的电接触。然而，传统芯片制造所需的化学处理和加工工艺较为苛刻，容易破坏这些脆弱的分子材料，从而降低器件的可靠性和性能。

为了兼顾标准制造工艺的大规模制造能力和处理分子材料所需的高精度，MIT研究团队提出了一种解耦的两步式制造方案。

他们首先采用标准半导体制造工艺完成所有器件主体结构的加工，然后再引入分子材料，完成器件最终组装。

论文作者Satterthwaite表示：“由于我们是在主要器件结构完成制造之后，才将这些精细材料引入工艺流程，因此可以充分利用传统制造工艺，而这些工艺通常并不适用于这类纳米材料。”

在实验验证中，研究人员首先制造了一个由两块金属电极组成的支架，两电极之间保持精确控制的间隙。随后，他们在电极表面沉积分子层。

最后，研究人员利用纳米尺度作用力，轻柔地将上方电极拉向分子层，在不损伤分子的情况下完成器件组装，从而形成与分子自动对准（self-aligned）且无损伤的电接触。

图片来源：麻省理工学院

巧妙利用纳米尺度作用力

在宏观世界中，重力是维持物体稳定的主要作用力；而在纳米尺度，不同类型的作用力则占据主导地位。其中之一便是毛细力（capillary force），它能够使液体自动进入狭小空间，例如植物正是依靠毛细作用将水输送至茎部。

研究人员通过精确设计电极的刚度，使含有分子的溶液蒸发时，毛细力能够轻柔地将两块金属电极拉近，并使分子层夹在两者之间。

当两块电极接触后，还需要将其稳定固定。为此，研究人员利用了另一种纳米尺度作用力——范德华力（van der Waals force）。

范德华力能够使两个表面相互吸引。研究人员通过控制器件表面积以及分子材料的性质，使这种吸引力既足够强，可以稳定固定电极，又不会损伤夹在其中的分子。

论文作者Sarah O. Spector解释道：“纳米尺度作用力是我们方法的核心。我们并不是直接制造最终所需的结构，而是先制造一个具有机械可移动性的结构，再利用这些作用力将其转变为一种原本难以制造的器件架构。”

研究团队利用该方法制造了1,000多个器件，其分子层厚度均不足1纳米。即使在如此微小的尺度下，芯片的平均良率仍达到96%。此外，这些器件在经历数万次电循环后，仍未出现性能退化。

Satterthwaite表示：“最令人印象深刻的是其稳定性。这对于推动分子器件走向实际应用至关重要，但长期以来一直是该领域面临的一项难题。”

研究人员指出，这项通用制造技术还支持电路级和系统级的分子器件集成，使该领域的研究从单个器件拓展到复杂系统。他们已利用这一技术构建了一个互联的分子存储器件阵列，未来有望应用于下一代计算平台。

此外，该制造方法还可以扩展至其他材料体系和器件架构。

未来，研究团队计划进一步利用这一平台，开发新型多功能计算与传感器件及系统。

Farnaz Niroui表示：“我们的平台能够在保持材料本征特性的前提下，实现新型分子材料及其他原子尺度材料的大规模集成，从而加快具有特定功能的新材料的发现、设计及其在新兴技术中的应用。”